Funktionalisierung von Metalloxid-Nanostrukturen mit selbstorganisierenden Monolagen. Implikationen und Anwendungen.

Self-assembled monolayers (SAMs) were employed for the surface modification of a variety of metal oxide nanostructures (NSs). This resulted in an remarkable assortment of inorganic-organic (core-shell) hybrid materials. These materials were fabricated, characterized and employed in different concepts. SAMs allowed to incorporate the endless realm of organic chemistry into the less vast territory of inorganic materials. An in depth, step by step analysis of the aspects involved in the process, of going from a pristine inorganic material to an inorganic-organic (core-shell) hybrid material, is described. In addition, the general theoretical background, which is required to fully grasp the processes and characterization is herein described. The final outcome was, well characterized core shell building blocks with a solid groundwork regarding their new properties. The latter was of paramount importance, as this hybrid NSs were meant to be further employed in other complex processes. The pristine NSs cores and core-shell NSs were characterized with a variety of techniques to ensure that a complete and well controlled surface modification has taken place. Chemical information about the composition of the organic shell of the core-shell NSs was obtained via Fourier transform infra red (FTIR) spectroscopy. The amount of organic vs. inorganic material (SAM grafting density) was characterized with thermogravimetric analysis (TGA). The size and zeta potential of NSs were measured using dynamic light scattering techniques (DLS). Surface energies and wettability of the NSs surface were characterized with goniometry via static contact angle (SCA) measurements. A comparison of the robustness between different types of SAM molecules, phosphonic acids, carboxylic acids and catechols was performed as well. The new properties of the inorganic materials which arose from the effects of surface modification, were carefully tailored and exploited for several applications. Due to the flexibility allowed by incorporating organic chemistry, the resulting applications often had a multidisciplinary character. These applications are also described within this work. Some of them are still work in progress and are therefore described with less detail than others. Example applications include: Solution processing, polymer wrapping, thin films, coatings, self-organization of NSs, polymer composites, nanooncology as well as waste water treatment.Selbstorganisierte Monolagen (SAMs) wurden für die Oberflächenmodifizierung einer Vielzahl von Metalloxid-Nanostrukturen (NSs) verwendet. Daraus ging eine bemerkenswerte Anzahl an anorganisch-organischen (Kern-Hülle) Hybridmaterialien hervor. Diese Materialien wurden hergestellt, charakterisiert und in unterschiedlichen Konzepten angewendet. Die Verwendung organischer SAMs ermöglicht die Vielfalt der organischen Chemie mit hoch funktionalen anorganischen Materialien zu verbinden. Eine schrittweise Analyse der in den Prozess eingebunden Parameter wird beschrieben, wie aus einem ursprünglichen anorganischen Material ein anorganisch organisches (Kern-Hülle) Hybridmaterial wird. Darüber hinaus ist der allgemeine theoretische Hintergrund beschrieben, der erforderlich ist, um die Prozesse und die Charakterisierung zu erfassen. Das Endergebnis waren vollständig charakterisierte Kern-Hülle NSs mit einem Schwerpunkt in Bezug auf ihre einzigartigen Eigenschaften. Dies war von größter Wichtigkeit, da diese Hybrid-NSs weiter in anderen komplexeren Anwendungen eingesetzt wurden. Die unfunktionalisierten NSs Kerne und Kern-Hülle NSs wurden mit einer Vielzahl von Techniken charakterisiert, um sicherzustellen, dass eine vollständige und gut gesteuerte Oberflächenmodifikation stattgefunden hat. Informationen über die chemische Zusammensetzung der organischen Hülle des Kern-Hülle NSs wurde mittels Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR) Spektroskopie erhalten. Das Verhältnis von organischem zu anorganischem Material (SAM Ankerdichte) wurde durch thermogravimetrische Analyse (TGA) bestimmt. Die Größe und das Zeta-Potential von NSs wurden mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) gemessen. Oberflächenenergien und Benetzbarkeit der NSs Oberfläche wurden mit Goniometrie durch die Messung der statischen Kontaktwinkel (SCA) charakterisiert. Ebenfalls wurde ein Vergleich der Robustheit zwischen verschiedenen Arten von SAM-Molekülen, Phosphonsäuren, Carbonsäuren und Katechinen durchgeführt. Die neuen Eigenschaften der anorganischen Materialien konnten, ermöglicht durch Oberflächenmodifizierung, für verschiedenste Anwendungen präzise angepasst und genutzt werden. Die daraus resultierenden Anwendungen besitzen oft einen multidisziplinären Charakter, der durch den flexiblen Einsatz organischer Moleküle ermöglicht wird. Diese Anwendungen werden auch im Rahmen der vorliegenden Arbeit beschrieben, wobei einige noch weiterentwickelt und daher weniger detailliert behandelt werden. Als beispielhafte Anwendungen werden Lösungsprozessierung, dünne Schichten, Polymerkomposite, Beschichtungen, Nanoonkologie sowie Abwasserbehandlung beschrieben